Движение жидкости, вязкость и реология среды оказывают существенное влияние на многие биофизические процессы на клеточном и суб-клеточном уровне: от биомеханики простейших организмов до изменения конформации биополимеров под действием гидродинамических сил. Многомасштабность биофизических процессов в биологических жидкостях и тканях приводит к необходимости создания особого рода иерархических моделей, состоящих их отдельных блоков для каждого из масштабов: молекулярного, клеточного и макроскопического. В рамках данного направления на кафедре исследуются биомеханические явления, связанные с течением крови и других жидких биологических сред.

     Руководитель направления: к.ф.-м.н. Беляев Алексей Вячеславович

   Среди широкого спектра биомеханических явлений, представляющих интерес для нашего коллектива, можно особо выделить несколько.

   Биологическия адгезия, по-видимому, один из важнейших инструментов самоорганизации биологической материи на клеточном, тканевом и макроскопическом уровнях. Так, микроорганизмы могут прикрепляться к различным поверхностям и формировать бактериальные пленки, устойчивые к гидродинамическим воздействиям.  Еще пример – агрегация тромбоцитов крови и рост тромба в кровеносных сосудах. Одно из важных свойств особых форменных элементов крови - тромбоцитов - их способность к адгезии и агрегации под действием биохимических агонистов или механических стимулов. По одной из существующих гипотез механизм остановки роста тромба связан с гидродинамическими явлениями.

 Концепция применения гибридных моделей в вычислительной гемодинамике на клеточном масштабе

   Цель исследований – понять, как гидродинамические потоки влияют на структуру и механические свойства клеточных агрегатов. Мы используем многомасштабные компьютерные модели и проводим расчеты на суперкомпьютере  «Ломоносов-2» НИВЦ МГУ, а также сотрудничаем с ведущими специалистами из университетов Европы. Перспективой работы является создание теоретической основы для предсказания рисков тромбоза, а также для проектирования новых гемосовместимых материалов для имплантируемых устройств.

   Другой класс задач связан с изучением механических и механо-химических свойств белков крови, в частности, фактора фон Виллебранда, фибриногена, адгезионных рецепторов клеток крови. Интерес представляют конформационные изменения в этих биомакромолекулах под действием механических напряжений и гидродинамических сил, а также выявление взаимосвязи между их строением и механическими свойствами.   

Крупно-зернистая компьютерная модель димера (вверху) и мультимера фактора Виллебранда (внизу) позволяет изучить междоменные взаимодействия, их влияние на размер и конформацию четвертичной структуры белка и их роль в феномене гидродинамической активации VWF и агрегации тромбоцитов.

   Кроме того, можно сформулировать ряд актуальных направлений:

• Исследование молекулярных механизмов биологической адгезии и механорецепции.
• Создание и верификация системной биомеханической модели адгезии и агрегации тромбоцитов в потоке цельной крови.
• Поиск новых эффективных вычислительных подходов для предсказательного пациент-ориентированного гемодинамического моделирования.
• Исследование механо-химических эффектов в биополимерах под действием гидродинамических сил и поиск методик их практического использования в биотехнологии.
• Молекулярное моделирование динамики белков на различных масштабах.

Биомеханика первичной адгезии тромбоцита к иммобилизированному фактору Виллебранда
в потоке жидкости по данным компьютерного моделирования

  См. также:

• Exposure of Von Willebrand Factor Cleavage Site in A1A2A3-Fragment under Extreme Hydrodynamic Shear
• Multiphase continuum modeling of thrombosis in aneurysms and recirculation zones
• Intradimer forces and their implication for conformations of von Willebrand factor multimers
• Effects of hydrophobicity, tethering and size on flow-induced activation of von Willebrand factor multimers